시리얼 ATA의 기술적/물리적 특징


이미 케이벤치에서도 간략하게 소개한 바 있고, 국내외의 여러 하드웨어 사이트를 통해서 시리얼 ATA는 그 특징에 대해서 소개된 바 있지만, 기술적으로 어떻게 구현되는가에 대해서 간단히 알아보고 넘어가자.



인터페이스의 구현에는 여러가지 계층적 요소가 있지만, 그 중에서 사용자들에게 가장 중요하게 여겨지는 부분은 바로 물리적 계층이다. SATA와 PATA가 가장 큰 차이를 보이는 부분 역시 바로 이 물리적 계층이다.(다른 계층에서 큰 차이를 보이면 호환이 되지 않기 때문이기도 하다.) 기존의 ATA가 병렬 방식의 데이터 전송에 기반하고 있다면 SATA는 그러한 데이터 전송을 직렬화한 것이며, 향상된 기술로 인한 고속의 직렬 전송으로 인해서 다양한 잇점을 얻게 된다.


기술적 특징(1) – 직렬 전송이 병렬 전송보다 빠르다고?


몇몇 독자들이 의아해 하는 부분이 이것이다. 직렬 전송은 순차적인 전송, 병렬 전송은 한번에 다수의 데이터를 전송하는 것이기에, 상식적으로 생각하면 병렬 전송이 빨라야 한다. 그러나 SATA는 '직렬화로 인해서 고속의 데이터 전송을 실현'했다고 한다. 사실, 정보통신 관련 기술 중 데이터 전달 기술은 점차적으로 직렬화하고 있다. RDRAM과 SATA가 대표적인 사례인데, 이것은 병렬전송에서의 물리적 한계에 도달했기 때문이다. 아래의 일러스트는 병렬 인터페이스가 처하는 가장 큰 문제인 신호왜곡(skew)를 직관적으로 보여준다.



직렬 전송에서는 신호선의 개수가 적기 때문에 신호의 도달시간이 일정하여 왜곡이 일어나지 않는 반면, 병렬 전송에서는 신호의 전달 과정에서 각 신호선이 받는 외부 신호의 영향이 틀리기 때문에 최종적으로 신호의 도달시간에서 차이가 벌어지는 신호왜곡이 발생한다. 신호의 전송이 고속화될수록 이러한 왜곡이 신호의 신뢰도에 줄 수 있는 영향의 정도가 커지기 때문에 다른 부분에서 아무리 우수한 특성을 보인다 하더라도 전송 클럭의 향상에서  한계가 발생하는 것이다.


직렬 전송은 그러한 문제를 최소화할 수 있어서 내부 신호의 순도만 보전할 수 있다면 신호왜곡에 영향을 받지 않고 동작클럭을 향상시킬 수 있다. 그 결과, SATA/150은 1.5GHz의 동작클럭을 갖는다. 하나의 핀에서 1.5Gbps의 데이터 전송 대역폭을 얻을 수 있다는 결론이다.


기술적 특징(2) – 디퍼런셜 전송이 적용된다.


디퍼런셜 전송은 사실상 일반 사용자들에게는 매우 생소한 개념이다. 등장 자체는 대단히 오래된 기술이며, 예전부터 서버 등에서 널리 사용되어 왔으나, 이것이 일반 사용자 계층에까지 침투한 일은 별로 없었기 때문이다. 디퍼런셜(differential) 전송은 데이터를 전달하는 특성에서 이름이 유래한다. 일반적으로 신호의 전송에는 신호선+접지선의 2개의 선이 사용된다. 디퍼런셜 전송에서는 2개의 선이 사용되는 것까지는 동일하지만, 하나의 선에는 신호가, 반대쪽 선에는 해당 신호의 역신호가 전송된다는 것이 틀리다.


이러한 구조로 인해서 구현은 일반적인 신호전송보다 복잡하다. 역신호를 만들어서 별도의 신호선을 통해 이 신호를 전송해야 하며, 또한 이렇게 만들어진 신호와 원래 신호의 차이로써 신호값을 구하는 것이기 때문이다. 그러나 일단 구현되면 매우 높은 노이즈 면역성을 얻을 수 있다는 장점이 생긴다. 또한, 그 구조상 일반적인 신호전송에 비해서 같은 신호값으로도 마치 2배의 신호강도를 갖는것과 같은 효과를 얻을 수 있어서 더욱 낮은 전압으로도 동작시킬 수 있다.



위의 일러스트는 그러한 특성을 보여준다. 디퍼런셜 데이터 전송의 경우 송신측에서 역신호를 만들어서 같이 송출하며, 수신측에서는 이 두 신호의 차이를 통해서 신호를 구분한다. 만약 외부로부터 노이즈가 가해질 경우 일반적인 전송에서는 이것이 신호선에만 적용되어서 수신측에서 오류가 발생할 가능성이 높지만 디퍼런셜의 경우 신호와 역신호 모두 동일한 변화가 가해지기 때문에 결국은 신호 레벨은 일정하게 유지되어 노이즈가 상쇄되는 효과가 있다. 그 외에, 신호선에 의해서 만들어지는 전자기장이 상쇄된다는 잇점도 있다.


이것은 직렬전송을 사용하는 거의 모든 기술에서 똑같이 적용된다. 시리얼 ATA 뿐만 아니라 RDRAM의 데이터 전송, 차세대의 인터페이스로써 기대를 모으고 있는 하이퍼트랜스포트, PCI Express 등 역시 디퍼련설 전송이 적용되고 있다.


기술적 특징(3) – 1.5GHz 동작에서의 150MB/s


좀 민감한 독자라면, 1.5GHz로 동작하여 1.5Gbps의 대역폭이 확보되는데, 왜 150MB/s냐고 되물을지도 모른다. 이는 신호의 인코딩/디코딩 과정을 거치고 신뢰도의 향상을 위한 ECC 신호의 추가 과정에서 약간의 데이터가 더 추가되기 때문이다. 이를 8b/10b 인코딩이라 부른다.



이를 통해서 8bit의 데이터는 10bit로 늘어나서 전송되기 때문에 1.5GHz로 동작하면서 150MB/s의 데이터 전송속도가 구현된다. 이것은 이후의 시리얼 ATA에도 계속 전송되기 때문에 3GHz로 동작하는 2세대에서는 300MB/s, 그리고 4.5GHz, 600MHz 등으로 동작하는 이후의 버전에서는 각각 450MB/s, 600MB/s의 전송속도를 가지게 된다.


기술적 특징(4) – 시리얼라이저/디시리얼라이저



시리얼 ATA의 기본적인 전송원리는 위와 같다. 데이터는 레지스터(일종의 고속 버퍼라고 생각하면 된다.)를 거쳐서 시리얼라이저에서 직렬화된다. 이 때에 8b/10b 인코더/디코더를 통해서 직렬로 전송될 데이터가 만들어지는데, 이 과정은 앞서 언급한 8b/10b 인코딩이다.


물리적 특징(1) – 케이블의 내부구조


시리얼 ATA가 사용하는 단 2가닥의 전선만으로 데이터를 전송하는데, 데이터를 보내는 데에 사용되는 라인과 받는데에 사용되는 라인이 분리되어 있어서 총 4가닥의 도선이 존재하며 그 구조는 다음과 같다.



데이터 전송에서 사용하는 도선의 수는 4가닥이지만, 접지선이 있어서 커넥터의 핀 수는 7개로 늘어난다. 이는 아래 일러스트를 보면 쉽게 이해할 수 있다.



도선을 둘러싸고 있는 쉴드가 접지극 3개로 이어져 있는 것이며(간혹, 이것이 내부적으로는 4개의 접지선으로 나뉘는 경우도 있으나 기본적인 구조는 동일하다), 이것은 1.5GHz라는 매우 높은 클럭으로 동작하고 있는 시리얼 ATA 신호에 외부에서의 노이즈가 개입되지 않도록 한다. 디퍼런셜 시그널 전송과 함께 이러한 쉴딩구조를 포함한 강도높은 신호의 순도확보로 인해서 SATA 케이블은 최대 1m까지 길이를 연장할 수 있게 되었다. 기존의 PATA 케이블이 18인치(46cm)까지로 길이가 제한되어 있던 것에 비하면 비약적인 발전이다.


SATA용 케이블의 상세한 특징은 다음과 같다.

























구분


특징


임피던스


100 ± 5Ω


캐패시턴스


미터당 42pf


전달지연시간


미터당 4.25ns


신호선


폴리올레핀 피복, 백색


쉴드


알루미늄을 입힌 폴리에스테르, 파란색


외피복


PVC 재질, 적색


이 중에서 외피복의 색상은 대개 적색이지만, 일부 제품의 경우 다른 색상을 사용할 수도 있다. 일례로 Iwill의 일부 시리얼 ATA 탑재 메인보드의 경우 검은색의 SATA 케이블을 번들로 제공한다.


물리적 특징(2) – 커넥터


사용되는 전체 도선 및 핀의 수가 줄어들면서 케이블 뿐만 아니라 커넥터에도 매우 큰 변화가 가해졌다. SATA 커넥터는 착탈이 보다 쉽고, 작은 크기를 가지도록 바뀌었다. 다음의 두 일러스트는 SATA 커넥터의 연결방식과 크기의 변화를 보여준다.




위의 일러스트에서도 볼 수 있듯이, 작아진 커넥터로 인하여 2.5" HDD에도 동일한 커넥터를 적용할 수 있다. 사용자의 입장에서는 2.5" HDD를 연결하기 위해서 젠더 등을 끼우지 않아도 되어서 어떠한 HDD라도 그대로 연결할 수 있다. 한편, 제조사의 입장에서는 2.5", 3.5" HDD에 모두 동일한 컴포넌트를 적용할 수 있으므로, 관리비용 및 제조원가의 절감을 가져올 수 있는 윈-윈 솔루션이라고 할 수 있다.


독자들도 알고 있다시피, SATA는 핫 플러깅 PnP를 지원한다. 컴퓨터가 켜져 있는 상태에서 그대로 SATA HDD를 연결할 수 있다는 것이다. 이는 사용자에게 매우 큰 잇점을 제공한다. 이제 HDD를 연결하고 분리할 때에도 시스템을 껐다가 켰다가 하는 번잡스러운 작업이 필요없어진 것이다. 이 때문에, SATA의 커넥터에서는 매우 특이한 점을 찾을 수 있다.



커넥터 연결 핀들의 길이가 약간씩 긴 부분이 있다. 전원핀(7핀 부분)을 앞서 언급한 케이블 연결 일러스트와 비교해 보면 위의 이들은 접지(ground)극이라는 것을 알 수 있다. 접지극을 이렇게 길게 만들어 놓은 것은 핫플러깅을 절대적으로 고려한 배려이다. 핫플러깅은 말 그대로 컴퓨터가 켜져 있는 상황에서, 즉 전원과 신호가 모두 살아있는 상황에서 HDD를 연결하는 것이다. 만약, 접지가 제대로 되어 있지 않은 상태로 전원과 신호가 들어온다면 회로에 악영향을 줄 수 있다. 긴 접지극은 커넥터 연결 시 신호나 전원보다 약간 더 빨리 접지극이 연결될 수 있게 해 준다. 그래서, 신호 및 전원이 들어오기 전에 접지극 및 이와 연결되어 있는 케이블의 쉴드 층 등이 활성화되어서 회로기판을 보호한다.


크기가 전체적으로 작아졌기에, 케이블을 착탈하는데에 이전보다 적은 힘이 들어감에도 불구하고 핀 수가 적어서 확실한 고정이 가능하다. 또한, 전원 및 신호선의 커넥터의 위치가 표준화되어 있어서 핫스왑을 위한 백패널로의 연결이 가능하다.



이 커넥터는 핫스왑을 구현하기 위한 백패널상에 부착될 커넥터로써, 하드디스크는 여기에 직접 연결된다. 이것은 기본적으로는 서버에 사용되는 SCA(Single Contact Attachment) 방식 커넥터와 같은 개념으로써, 케이블연결 등을 배제하고, 하드디스크를 해당 랙에 꽂기만 하면 바로 연결/인식되게 하여 다수의 핫스왑 랙 등을 통해서 RAID의 구현이 가능하다. 특히, SATA의 경우 PATA에서 지워하지 않던 상위 명령어셋을 지원함으로써, 핫스왑 랙 시스템을 구현하면 기존에 SCSI에서만 가능했던 고급 핫스왑 RAID 시스템을 구현할 수 있다.


이 외에, 전원부에는 또한가지의 배려가 숨어있다. 현재, 각 HDD들이 사용하는 전원은 5V 와 12V 뿐이며, 바라쿠다 ATA V의 경우 5V도 사용하지 않고 12V만을 사용한다. 그래서 일반적으로 SATA 하드디스크 드라이브와 함께 사용될 케이블 컨버터는 다음과 같다.



그러나 위의 일러스트에서 보이다시피, 여기에는 적/흑/적/황 외에, 한가지 선이 더 연결될 수 있도록 만들어져있다. 바로 주황색인데, 주황색은 3.3V를 공급하는 전원선의 색상이다. 이는 앞으로 만들어질 저전력 HDD를 고려한 설계이다. 현 시점에서 3.3V를 사용하는 HDD는 없지만(노트북용 HDD라도 5V를 사용하고 있다) 이후, 3.3V로 구동되어 보다 낮은 전압만을 사용하도록 만들어진다면 SATA 전원 커넥터에서 3.3V를 바로 공급하게 된다.

시리얼 ATA의 기술적/물리적 특징

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